王朝阳院士:做电动汽车,一定要扎扎实实,容不得半点忽悠

王朝阳院士是美国国家发明家科学院院士、宾夕弗尼亚州立大学讲席教授、电池与储能技术研究院院长、电化学学会电池分会执行委员、北京科技冬奥新能源汽车专家组专家、世界新能源汽车大会科技委员。

他还是 2020 年斯坦福大学发布的全球前 2% 顶尖科学家中位居前列的专家,其电池制造实验室在 2011 年美国前总统对宾州州立大学的访问中受到专门报道,被称为“美国达到一百万辆电动汽车宏伟计划的技术和人才来源地”。

所以,为了弄清楚我们对电池技术发展的种种疑惑,我们特邀王朝阳院士参加《新基建访谈》,在这深入交流的一个小时中,他向我们阐述了电池发展的现状和未来,一针见血,观点独到。

王朝阳院士认为,现在新能源汽车面临的三大焦虑:里程焦虑、充电时间、成本焦虑,这三大焦虑的本质实际上只有一个,就是充电焦虑。而充电焦虑的解决不是靠增加电池包的大小,而是依靠快充。

他表示车厂不断增大电池包不是一个好办法,“新能源汽车必须遵守能量守恒定律,即热力学第一定理,一定要扎扎实实的,容不得半点忽悠。所以,当车企声称它有 1000km 续航的汽车,那他一定需要 150 度电的电池,无论技术有多高。但这么大能量的电池一定需要很高的价钱,一定会消耗大量的原材料,这是无法否认和忽视的。”

而快充技术的方案是,能够 5-10 分钟便捷的补能,40~50 度电的电池包比 80~100 的要便宜一半,成本减半,这对电动汽车的普及非常重要。

谈及快充技术的安全问题,王朝阳院士告诉《新基建访谈》,假如目前普遍的在常温和低温情况下快速充电,有大量的析锂,有造成短路的风险。但是高温快充避免析锂,其实是消除了安全隐患。

在应用和推广方面,其专利技术已被北京 2022 冬奥会及宝马、北汽等采用。具体到推广方案,王朝阳院士表示,“我们的计划是开放式的技术推广,经过了第三方的独立验证,并且已在全球进行授权技术许可,已经有几家公司在打造不同应用场景的快充电池新产品。我们愿意和支持国内的电池制造商或者车企,一起推动中国的新能源汽车产业。

他还举例道,物流仓库里使用的叉车需要 24 小时不间断工作,几个小时的充电时间会耽误事儿,这就需要快充电池。

至于电池行业格局的演进变化,他坦言一定是交叉和跨界,“电池制造商到了一定的时候会想造车,车企也想着电池不能老是由别人制造,毕竟电池实际上是一辆车的心脏,电池就跟燃油车的发动机一样,一个车企不自己造发动机,那也不算是车企。”

此外,王朝阳院士还有个梦想是能够在退休前开着飞行汽车去上班。在飞行汽车领域,电池的快充性能同样非常重要,他预估可能会是在 2025 年左右,商用的飞行出租车车队服务将会出现,从市中心到机场,能够保证 10~15 分钟把你送到。

以下为网易专访王朝阳院士实录摘要:

问:您的团队攻克了锂电池快速充电和电池寿命难以兼得的问题,有望解决新能源汽车的“里程焦虑”和“充电时间焦虑”难题。请问这个研究的背景是什么?

王朝阳院士:现在新能源汽车面临的是三大焦虑,里程焦虑、充电时间、成本焦虑,目前对大众消费者来讲成本还是偏高。但这三大焦虑的本质实际上只有一个,就是充电焦虑。

你设想一下,假如我们解决了充电焦虑,能够 5-10 分钟很便捷的补能,那么里程焦虑自然就消失了。假如我们一辆车子开了 400km,驾驶员得去上个洗手间,再看看手机,再买杯咖啡,然后车子利用这 10 分钟又充满电了,就不会再有里程焦虑这个问题了。

另外,充电焦虑解决之后,实际上我们可以大大降低车载电池的成本,我们就不需要在车上载有 80 度电、100 度电的电池包,可以用 40~50 度电的小电池,小轻化以后,还可以方便的补能,40~50 度电的电池包比 80~100 的要便宜一半,所以成本直接就削了一半,这对电动汽车的普及化非常重要。

问:您的新研究表明,充电 10 分钟,磷酸铁锂电池即可续 航约 250 公里。这个速度现在市面上民用是没有的,这是怎么做到的?技术难点在哪里?

王朝阳院士:利用热调控技术,这项科学技术让事情变得很简单。不论是磷酸铁锂电池还是任何其他电池,实际上,热调控技术对所有的材料体系和化学体系都适用。

它就是在电池中埋了一片大概 10 微米的很薄的镍箔作为发热体。电池都有能量,有了发热体后就可以利用电池自带的能量实现快速加热。由此,我们可以通过快速地调整电池的温度来达到功率的需求。比如有时候我要开车,需要大功率,那就把温度提得高一点,我想达到 10 分钟快充,就让它的动力学性能增加,这样就可以把大电流吸收到电池中,在高温快充的时候就可以避免析锂。同时,我们又恰恰利用了 5-10 分钟快充这个特点来控制高温下的工作时间,本身充电最多 10 分钟,待在高温的时间很短,这就避免了材料的老化。

最关键的就是热调控技术,这个发热体要薄到比头发丝还薄。发热体所用的镍箔是很普通的材料,但是可以做得很薄。这 10 微米的镍箔,几乎不增加重量,也不增加体积,它的加热速度又非常快和灵敏。这样我们就可以使得磷酸铁锂或者三元电池都达到 10 分钟的快充。

问:充电速度快了之后,大众包括产业界他们就会担心安全的问题,会不会有这样的担忧?

王朝阳院士:没有太大问题。假如是在常温和低温情况下快速充电,有大量的析锂,造成短路,会引起安全问题。但是我们的高温快充避免析锂,消除了安全的隐患。

第二点,目前市场上电池为了让低温情况下的锂离子跑得很快,电解液不容易被冻住,需要在电解液中加入很多高挥发性溶剂,而高挥发性溶剂正是引起电解液燃烧的原因。现在我们依靠自加热来改善低温的性能,就可以剔除高挥发性、易燃溶剂,生产非燃电池,大大增加安全性。

问:这个方案在工业界目前有一些实践吗?

王朝阳院士:我们的计划是开放式的技术推广。这些技术在科学上、样品表现上都十分成熟,且经过了第三方的独立验证。

当然,想做成产品再推广到市场需要更大的努力,如果国内有大规模的电池制造商或者车企,可以来我们这里得到技术许可,把这项快充的技术尽快推广到市场上,目前已经有宝马和国内参与冬奥会的一些车企正在实践。

美国也有几家公司在打造不同应用场景的快充电池新产品。举个例子,物流仓库里使用的叉车电池,它需要 24 小时不间断地工作,因此它不能充长达几个小时的电,会耽误事,这就需要快充电池,在国外已经有公司在打造。另外,我们最近发表的一篇文章是关于飞行汽车电池的,也有快充的性能。

问:如果国内的团队要做这件事,制造成本方面会有很大的增加吗?

王朝阳院士:制作成本涉及几个方面。第一,原材料的增加不多,增加的是一个 10 微米的镍箔,它的量很小,在一篇经过专家评审的文章中,有估算过镍箔的材料成本占据不到 0.2%,可以忽略不计。

另外一个就是把镍箔插入到电芯中这道工艺。每家的工艺和制造不一样,难以评估,相信会有制造工程师等其他专家去做这个事,总体来说,我相信这道工艺很简单。

手机这么复杂的装配、制造,国内企业都搞得漂漂亮亮、物美价廉,加一个镍片怎会难到中国的制造行业呢?

问:环保的问题大家也十分关注,这些电池有了好的技术,然后用了五年、十年之后,它是怎么处理呢?从这个角度您有没有一些探索?

王朝阳院士:目前新能源汽车的动力电池还无法回收,这是一个很大的课题,回收的技术需要开发出来。

好在目前动力电池还不够多,但是一旦进入下一个阶段,有了更大的电动汽车市场的话,那电池的量是巨大的,必须要回收。

回收电池必须要有很好的技术,使得回收成本比原材料成本要低。据我所知,目前还没有成熟的回收技术,既能够达到经济性,又能达到节能。

问:您如何看待磷酸铁锂电池和锂电池以及氢能源三者的不同和优劣势?

王朝阳院士:他们都是基于电化学原理,即化学能和电能之间的直接转化。我们实际上把它们统称为电化学发动机,区别于燃烧发动机。电化学发动机是 97 年就开始提的概念。

具体来说,磷酸铁锂的优点非常明显,第一,非常安全;第二,成本特别低,第三,所使用的原材料量很大,如磷、铁都有着巨大的储量。

不过,目前磷酸铁锂用在电动汽车上面也有两个巨大的弱点,但都在慢慢被克服。第一,它的低温性能很差,用磷酸铁锂电池的车主会发现冬天容易趴窝,就是因为电池的低温性能很差,而热调控技术就能完全解决了这个问题。第二,它缺乏快充的能力,但现在十分钟快充技术在研发小试上已经完全被证实,剩下只需要推广应用。因此,磷酸铁锂克服了这两大难题后,未来前景会更好。

专家经常会担忧磷酸铁锂的能量密度比三元要差一点,但我们还没发布的、正在研发的第二代热调控电池,能量密度可以达到 300Wh/kg,成本可以降到 0.35 元/瓦时。所以我的观点是,磷酸铁锂的潜力非常非常大。

三元电池的优点也很明显,能量密度较高,但是它的安全性差,成本较高,尤其是它所用到的“钴”和“镍”都是不可持续的战略性材料。目前电动汽车的市场渗透率还非常低,在 5% 左右(欧美在 2%-3% 左右),如果进入到中期发展阶段,渗透率达到 50% 左右时,所有的车企都必须考虑“钴”和“镍”能否持续供应上来。一旦考虑到这个问题,就要做一些其他的筹备。

最近在新闻中看到特斯拉和苹果公司都在紧紧地盯住磷酸铁锂,这有一定的道理,从长远的原材料供应角度,需要考虑这些。

第三个氢燃料电池,它的优点就是补能很快,即加氢很快,但它的成本居高不下。

实际上,氢燃料电池的成本需要降低一个数量级才会有工业化的可能性。想要降低一个数量级的成本,需要有科学上的突破,要有诺奖级的科学突破,光是依靠工业化和投资,是砸不出一个科学突破的。而科学上的突破难以用时间衡量,可能明天发生,可能下个月发生,可能十年后发生,也可能 50 年都没发生。

所以在氢燃料电池方面,我建议加大基础研究的投入和鼓励,希望能有诺奖级的科学发现,经过充分论证后再进行工业化,这就可以让投资和资源更有效地被利用。

问:那在未来一段时间,这几种电池的实际应用会是怎么的发展走势?

王朝阳院士:我们必须要面对大众市场的用户,要生产出家家户户都能买得起的汽车,不能动不动定价在 40 万,这还不是老百姓能够消费的水平。到时候想要降低成本,电池成本就有巨大的空间和机会。但三元电池也不会消失,在很多高端应用中,对能量密度要求高,且对价格不是特别敏感,三元电池肯定有它的作为。

问:磷酸铁锂电池和三元电池在续航方面的发展进步,主要靠什么?

王朝阳院士:未来的续航问题不是光依靠能量密度解决,还要靠快充,即便捷的补能来解决。即使是三元电池的能量密度很高,我们也只希望做成 40-50 度电的电池,而不是做到 100 度甚至 150 度电。不论技术多高,能量密度多高,150 度电总是要比 40 度电多付三倍以上的钱。而且假如我就在上海上班通勤,我带着一个很大的电池包到处跑,那不就是浪费能源?

新能源汽车是实现碳中和最重要的手段,节能仍然是第一位。尽管我们使用了各种各样的新技术,但还是要节能,装载那么大的电池包,就是“大吃大喝”,就要花费大价钱,就会有浪费。而快充是按需索取,你需要多少能量就补多少能量,快捷补能是能源效率最高的方式,对整个社会影响也最好。新基建的表现就在这里,就是把公共的快充桩建设好,让大家都可以享受到快捷补能的基础设施,这就是造福于人民。

问:您认为电池制造这件事在供应链侧,未来会有哪些变化?

王朝阳院士:我认为会有交叉和跨界。国内的电池制造商到了一定的时候会想造车,车企也想着电池不能老是由别人制造,毕竟电池实际上是一辆车的心脏,电池就跟燃油车的发动机一样,一个车企不自己造发动机,那也不算是车企。

接下来五年,电池和电动汽车的市场竞争都会非常激烈。现在产能已经过剩,会有剧烈竞争,最终胜出的可能只有几家头部企业,所以一定要在技术上保持领先。以手机为例,诺基亚曾经是世界老大,但是它垮下来也很容易。

问:您研究的热调控技术实现了飞行汽车电池极速长寿命充电,这个产业的成熟期大概会多久到来?

王朝阳院士:我们观察到的飞行汽车,还远没有到普及的阶段。飞行汽车未来会是一个巨大的产业,它主要是解决大都市的交通拥堵问题,然后把都市的交通能够在 3D 的空间当中进行。

目前的预估可能会是在 2025 年左右,首先要有商用的出租车车队服务出现,还不是私有化的飞行汽车。比如说在上海,从市中心到机场,他能够保证 10~15 分钟肯定把你送到。然后才是私人飞行汽车,就跟 harry potter 里头拿着扫把飞一样,这是人类的梦想。

从技术上来讲有两个关键的技术,一个是安全,你把人弄到空中来,肯定要保证绝对的安全。第二个是电池技术,因为升到空中对电池不但有能量密度的要求,对功率密度也有巨大的要求,因为垂直升空和垂直下降需要大功率运行。

我本人对这一块非常感兴趣,我觉得这是一个很好的科学应用。我的梦想就是能够在退休前开着飞行汽车去上班。

问:您对目前火热的新能源行业、飞行汽车行业,有哪些建议或想话说的话?

王朝阳院士:新能源汽车必须遵守能量守恒定律,即热力学第一定理,所以一定要扎扎实实的,容不得半点忽悠。所以,当车企声称它有 1000km 续航的汽车,那他一定需要 150 度电的电池,无论技术有多高。这么大能量的电池一定需要很高的价钱,一定会消耗大量的原材料,这是无法否认和忽视的。

这些遵守能量守恒定律的例子,我称之为“诚实的能源”,在能源领域工作必须诚实,别无他法。

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